孔隙水溶液濃度對(duì)膨脹土膨脹特性的影響

賈景超，楊永香，黃志全

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

孔隙水溶液濃度對(duì)膨脹土膨脹特性的影響

賈景超，楊永香，黃志全

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

通過開展恒體積膨脹壓力試驗(yàn)與有荷膨脹率試驗(yàn)，研究了孔隙水溶液濃度對(duì)膨脹土膨脹特性的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溶液濃度的增大，膨脹壓力降低;相同濃度溶液制作的試樣，分別浸入不同濃度的溶液，一種濃度小于制樣所用濃度，另一種與制樣溶液濃度相等，最終所得的膨脹壓力與膨脹應(yīng)變均很接近.通過對(duì)孔隙水賦存狀態(tài)的分析表明，試驗(yàn)結(jié)果均符合滲透壓理論.

膨脹土;膨潤土;膨脹壓力;膨脹應(yīng)變;孔隙水溶液濃度

膨脹土主要是由強(qiáng)親水性黏土礦物——蒙脫石組成，是具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和超固結(jié)性的高塑性黏土.膨脹土遇水膨脹會(huì)給土木工程，如建筑物基礎(chǔ)、鐵路和公路路基、護(hù)坡、擋土墻和樁等造成很大危害.

另外，近年來膨脹土中的一類土——膨潤土在高放射性核廢料處理方面的應(yīng)用引起了人們的廣泛重視.在此應(yīng)用中，高壓實(shí)的膨潤土或膨潤土和砂土的混合物填充在核廢料罐和圍巖之間，遇水膨脹后，壓實(shí)土一方面會(huì)填充周圍圍巖中的裂隙，另一方面礦物顆粒的膨脹會(huì)填充土體自身存在的孔隙，從而形成低滲透區(qū)，很大程度上阻隔了核廢料罐和周圍環(huán)境的聯(lián)系［1－2］.針對(duì)此應(yīng)用，眾多研究者對(duì)壓實(shí)膨潤土及膨潤土－砂土混合物的膨脹特性和物理特性進(jìn)行了研究［1，3－5］.

對(duì)于影響膨脹土膨脹特性的研究多集中于力學(xué)因素以及土的物理性質(zhì)方面，如初始干密度、初始含水量、所施加荷載等［6－10］.而孔隙水溶液濃度對(duì)膨脹特性同樣有影響.Alawaji［11］研究了電解質(zhì)溶液濃度對(duì)膨脹潛勢(shì)、膨脹壓力和壓縮度的影響，發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)隨濃度的增大而降低.

在以往的試驗(yàn)中，拌制土樣所用的溶液濃度與試驗(yàn)開始后加入的溶液濃度相同或者都是純凈水.然而，在實(shí)際工程中，所遇到的自然降雨以及地下水中都含有一定濃度的離子，膨脹土所經(jīng)歷的水溶液濃度并非恒定不變.因此，以制樣所用溶液的濃度作為先期濃度，試驗(yàn)開始時(shí)所加溶液濃度為后期濃度，研究了膨脹土先后經(jīng)歷不同濃度溶液時(shí)的膨脹特性，并基于滲透壓理論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用土為遼寧朝陽西壤礦膨潤土，其顆粒大小約為75 μm，基本參數(shù)見表1.

表1 西壤膨潤土物理特性指標(biāo)

由于所用土為鈣基膨潤土，制備土樣所用溶液以及試驗(yàn)開始時(shí)加入溶液都用CaCl2溶液，以避免陽離子交換的影響.制樣時(shí)，用噴壺將溶液均勻噴灑在膨潤土粉末上，以防粉末結(jié)團(tuán)影響水分在試樣中的均勻分布.配制好的土放入塑料袋中密封靜置24 h后，將土按照預(yù)定的干密度壓入環(huán)刀.這里所有試樣的初始含水量均為40%，初始干密度均為1.10 g/cm3.

開展了膨脹壓力與膨脹率兩類試驗(yàn).膨脹壓力采用恒體積測(cè)試方法，試驗(yàn)在固結(jié)盒中進(jìn)行，與常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)所不同的是軸向安裝剛性螺桿，并在螺桿上安裝傳感器，傳感器與應(yīng)變儀連接.將環(huán)刀連同試樣放入固結(jié)盒，旋轉(zhuǎn)螺桿預(yù)加1 kPa的力以保證傳感器與試樣有良好接觸，然后向固結(jié)盒中加入溶液至覆蓋上部透水石為止，并開始計(jì)時(shí).試驗(yàn)結(jié)束的條件是2 h內(nèi)膨脹壓力變化小于1 kPa.由于側(cè)向與軸向均限制試樣變形，因此在軸向可測(cè)得恒體積條件下的一維膨脹壓力.膨脹壓力試驗(yàn)分為兩組，一組是拌制土樣所用溶液濃度與注入固結(jié)盒中溶液濃度相等的情況，以下簡稱為A組膨脹壓力試驗(yàn);另一組中，用不同濃度溶液制備3個(gè)試樣，分別是0.01，0.1，1 mol/L 3種濃度，而注入固結(jié)盒中的濃度均為0.001 mol/L，以下簡稱為B組膨脹壓力試驗(yàn).

有荷膨脹率試驗(yàn)在GDG－4S型三聯(lián)高壓固結(jié)儀上完成，施加的軸向荷載均為10 kPa.試驗(yàn)中，制樣所用溶液濃度為0.1 mol/L，而固結(jié)盒中注入的溶液濃度分別為 0.1，0.01，0.001 mol/L.由于膨脹率與膨脹應(yīng)變的表達(dá)式相同，以下統(tǒng)稱膨脹應(yīng)變.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 膨脹壓力試驗(yàn)結(jié)果

A 組膨脹壓力試驗(yàn)中，把 0.001，0.01，0.1，1 mol/L 4種不同濃度CaCl2溶液制備的試樣放入固結(jié)盒后，分別加入和制備試樣濃度相等的溶液，豎向膨脹壓力隨時(shí)間的變化如圖1所示.B組試驗(yàn)中，將不同濃度溶液制備的試樣加入0.001 mol/L CaCl2溶液中，膨脹壓力隨時(shí)間的變化如圖2所示.

圖1 A組試驗(yàn)中膨脹壓力隨時(shí)間的變化情況

圖2 B組試驗(yàn)中膨脹壓力隨時(shí)間的變化情況

由圖1及圖2可以看出，溶液濃度對(duì)膨脹時(shí)間的影響不大，所有試樣的膨脹壓力在2 h左右接近或達(dá)到最大值.

膨脹壓力最大值隨溶液濃度的變化情況如圖3所示.由圖可知，膨脹壓力隨濃度的增大而降低.這與Alawaji［11］的試驗(yàn)結(jié)果一致.需要注意的是，對(duì)比A，B兩組膨脹壓力試驗(yàn)結(jié)果可知，制備試樣所用溶液相同的情況下，無論后加入的溶液濃度等于還是小于制樣所用溶液濃度，膨脹壓力均很接近.

圖3 壓實(shí)膨潤土樣的膨脹壓力隨溶液濃度的變化

2.2 有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

用0.1 mol/L的溶液制備3個(gè)試樣，并放入常規(guī)固結(jié)儀中，向3個(gè)固結(jié)盒中分別加入0.1，0.01，0.001 mol/L的溶液，試樣應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況如圖4所示.

圖4 膨脹應(yīng)變隨時(shí)間的變化

由圖4可知，與膨脹壓力試驗(yàn)相似，用0.1 mol/L溶液所制備試樣浸于不同濃度溶液后，膨脹應(yīng)變也在2 h左右趨于穩(wěn)定，最終的膨脹應(yīng)變分別為12.5%，11.0%，12.0%，可見在 3 種溶液中膨脹應(yīng)變近似相等.

3 結(jié)果討論

蒙脫石顆粒由相互平行的晶層疊加而成.由于晶層表面吸附有陽離子以及晶層表面具有較高的水化能，制樣時(shí)，使得溶液中的水分子進(jìn)入平行晶層之間，導(dǎo)致蒙脫石顆粒體積膨脹，同時(shí)晶層表面的陽離子溶入水中，在平行晶層之間形成了具有一定濃度的溶液［12－13］.根據(jù)滲透壓理論，蒙脫石顆粒晶層間產(chǎn)生的膨脹力與晶層內(nèi)外溶液濃度之差［14］有關(guān)，即

式中:pr為平行晶層間的滲透壓力或膨脹力;NA為阿伏加得羅常數(shù);k為Boltzmann常數(shù)，1.38×10－23J/K;T為絕對(duì)溫度;nA為平行晶層之間的溶液濃度，其值與顆粒晶層表面電荷密度及平行晶層間距離有關(guān)［12－13］;nB為晶層外的溶液濃度.

由于蒙脫石晶層表面電荷密度恒定不變，所以平行晶層間溶液濃度僅與晶層間距有關(guān)，在間距相等的情況下，nA相同.因此根據(jù)式(1)可知，nB越大，即晶層外溶液濃度越大，膨脹壓力越小，這與圖3中膨脹壓力試驗(yàn)結(jié)果一致.

此外，拌制土樣時(shí)溶液中的部分水分子滲入晶層中使其產(chǎn)生最初的膨脹，還有部分溶液遺留在外部，包圍在晶層周圍形成結(jié)合水，其濃度即為nB.當(dāng)后加溶液注入固結(jié)盒后，逐漸滲入土體并存在于顆粒間的孔隙中，由于晶層周圍有結(jié)合水存在，所以后加溶液并不與顆粒直接接觸.因此，即使后加入的溶液濃度與拌制土樣時(shí)的溶液濃度不同，也不能對(duì)已經(jīng)包圍在晶層周圍的溶液濃度產(chǎn)生較大的影響.因此，式(1)中的nB仍然為拌制土樣的溶液濃度，并非后加入溶液的濃度，所以只要拌制土樣溶液濃度相同，后加入溶液濃度對(duì)膨脹特性影響很小.正如圖3與圖4的試驗(yàn)結(jié)果，制樣溶液濃度相同的情況下，即使后加溶液濃度小于前者，測(cè)得的膨脹壓力與先后經(jīng)歷兩種相同溶液時(shí)的數(shù)值接近.說明膨脹土即使先后經(jīng)歷的溶液濃度不同，仍符合滲透壓理論.

對(duì)于膨脹應(yīng)變，試驗(yàn)開始后，蒙脫石晶層吸水使得自身體積增大，當(dāng)外荷載不足以抑制晶層膨脹時(shí)就會(huì)產(chǎn)生膨脹變形.隨著水分子逐漸進(jìn)入晶層內(nèi)部，晶層間距不斷增大，晶層間溶液濃度nA減小.由于晶層外結(jié)合水的溶液濃度nB不變，所以由式(1)可知，膨脹壓力逐漸減小，最終導(dǎo)致土體自身膨脹壓力與外荷載相等，膨脹變形結(jié)束.對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行的膨脹應(yīng)變?cè)囼?yàn)中外荷載相同，所以土體內(nèi)部最終的膨脹壓力也相同.拌制土樣的溶液濃度相等(該試驗(yàn)為0.1 mol/L)，所以晶層外結(jié)合水濃度nB也相等.為了使膨脹壓力相等，根據(jù)式(1)可知，3個(gè)試樣的蒙脫石晶層間的溶液濃度nA也應(yīng)相同.根據(jù)前面敘述可知，若要nA相同，晶層間距應(yīng)相等，所以最終的體積相同，即膨脹應(yīng)變相等.

4 結(jié)語

針對(duì)孔隙水溶液濃度對(duì)膨脹土膨脹特性的影響進(jìn)行了研究，重點(diǎn)探討了制樣所用溶液濃度與后加入溶液濃度不同時(shí)的膨脹特性.結(jié)果表明:①西壤礦膨潤土的膨脹壓力和膨脹變形在2 h左右接近或達(dá)到穩(wěn)定;②恒體積膨脹力隨溶液濃度的增大而降低;③膨脹土先期經(jīng)歷的溶液濃度對(duì)膨脹特性有重要影響，只要先期溶液濃度相同，后期經(jīng)歷的溶液濃度對(duì)膨脹特性影響很小.這種現(xiàn)象仍服從滲透壓理論.

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Influences of Pore Aqueous Solution Concentration on the Swelling Property of Expansive Soil

JIA Jing-chao，YANG Yong-xiang，HUANG Zhi-quan
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The paper studies the influences of pore aqueous solution concentration on the swelling property of expansive soil through the constant volume swelling pressure experiment and loaded swelling rate experiment.The results indicate that the swelling pressure decreases with the increasing of solution concentration.In the experiment，two specimens made of the same solution concentration are immersed into the solutions with two different concentrations，one less than the solution concentration used to prepare specimen，and the other same to that.The result shows that the swelling pressure and the swelling strain of two specimens gained from the experiment are very close.The analysis on the existing state of the pore water shows that the experiment result is agree with the osmotic pressure theory.

expansive soil;bentonite;swelling pressure;swelling strain;the pore aqueous solution concentration

1002－5634(2012)02－0124－03

2012－01－11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41140030);鄭州市創(chuàng)新型科技人才培育計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(10LJRC185);教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目;華北水利水電學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目.

賈景超(1980—)，男，河北正定人，講師，博士，主要從事膨脹土膨脹機(jī)理及膨脹模型方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)